21種路緣路肩設(shè)計(jì)，哪些能最大限度截流暴雨污染物？

注：本文為刪減版，不可直接引用。原中英文全文刊發(fā)于《景觀設(shè)計(jì)學(xué)》2020年第4期“原型研究與景觀設(shè)計(jì)”?？＋@取全文免費(fèi)下載鏈接請(qǐng)點(diǎn)擊此處。

導(dǎo) 讀

路緣在促進(jìn)雨水徑流輸送的同時(shí)，也成為了路面污染物進(jìn)入河流、污染生態(tài)環(huán)境的渠道。那么，能否重新設(shè)計(jì)路緣，使其可以像磁石一樣吸附雨水中的污染物呢？在本文中，一支來自俄亥俄州立大學(xué)的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)采用迭代設(shè)計(jì)過程，在標(biāo)準(zhǔn)混凝土路緣和路肩表面增加不同的圖案和凹槽，并使用全尺寸模型測(cè)試了這些新設(shè)計(jì)在模擬暴雨事件中的截污效果，清晰呈現(xiàn)了研究設(shè)想一步步轉(zhuǎn)化為真實(shí)設(shè)計(jì)的詳細(xì)過程。

路緣沉積：

利用原型思維過程探究如何通過路緣及路肩設(shè)計(jì)截留暴雨中的路面污染物

Curbing Sediment:

A Prototyping Process to Explore How to Capture Road Pollutants in Stormwater Events via Curb and Apron Redesign

哈麗娜·斯坦納

Halina STEINER

俄亥俄州立大學(xué)諾爾頓建筑學(xué)院景觀系助理教授

瑞恩·溫斯頓

Ryan WINSTON

俄亥俄州立大學(xué)食品、農(nóng)業(yè)與生物工程系及土木工程、環(huán)境與測(cè)量工程系助理教授

艾薇·歐貝爾

Avee OABEL

俄亥俄州立大學(xué)諾爾頓建筑學(xué)院景觀系本科生

亞力克·格林姆

Alec GRIMM

俄亥俄州立大學(xué)環(huán)境與自然資源學(xué)院本科生

1 提出設(shè)想

道路表面存積著各種污染物，包括沉積物、草坪肥料中的營養(yǎng)物質(zhì)、細(xì)菌、病毒、殺蟲劑、金屬元素、塑料微粒、融雪劑，以及各種油和油脂^[1]。當(dāng)暴雨發(fā)生時(shí)，這些物質(zhì)會(huì)在未經(jīng)處理的情況下被沖入雨水管道，后排入河道^[1]，影響水質(zhì)乃至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。水體中的塑料微粒等污染物清除起來非常困難，那么，是否可以通過街道設(shè)計(jì)的創(chuàng)新來解決這一問題？

近些年來，與綠色基礎(chǔ)設(shè)施有關(guān)的道路設(shè)計(jì)創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，如沿路設(shè)置的“生態(tài)草溝”可對(duì)匯入其中的雨水進(jìn)行滯留和過濾，在降雨高峰期有效降低雨水流量并改善水質(zhì)，但殘留的沉積物和垃圾也會(huì)對(duì)植物根系的健康產(chǎn)生不良影響^[2]。那么，是否可以改造路緣這一常見的道路元素，使其發(fā)揮類似的功能？

2 原型設(shè)計(jì)

材料選擇與模型規(guī)格

由于數(shù)字模型無法分析連續(xù)的路緣表面，團(tuán)隊(duì)決定使用熱絲切割及數(shù)控銑床雕刻技術(shù)，制作1:1全尺寸物理模型進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試。制作材料選用聚苯乙烯泡沫，因?yàn)檫@種材料經(jīng)過熱絲切割及數(shù)控雕刻后形成的表面紋理與混凝土十分相似。基本公路斷面模型長2.4m，寬1m，橫向坡度為1.5%，路緣高度為15.24cm；在后續(xù)設(shè)計(jì)中，為適應(yīng)某些路緣的特殊形態(tài)，路緣高度可降至11.4~12.7cm。

制作過程

為確保模型的削制過程足夠準(zhǔn)確、高效，盡量降低材料和刀具損耗，研究先用Rhino三維建模軟件對(duì)設(shè)計(jì)好的路緣和路肩圖案進(jìn)行數(shù)字建模，然后在RhinoCAM插件中模擬銑削迭代過程，從而預(yù)測(cè)削制時(shí)可能出現(xiàn)的刀具碰撞或誤差，并在實(shí)際制作過程中進(jìn)行調(diào)整或規(guī)避。削制完成的模型需涂上環(huán)保乳膠漆進(jìn)行防水研究提出了兩類改進(jìn)設(shè)計(jì)策略：一是在路緣表面增加不同形狀（圓形、方形和三角形）的凹槽，二是在路肩區(qū)域增加不同形狀（包括不同密度的點(diǎn)狀、直線及水波形圖案）的凸起圖案；兩種設(shè)計(jì)策略可組合使用。

路肩圖案的靈感來源于盲道表面的平頂圓形凸起，可在實(shí)現(xiàn)截污效果的同時(shí)提高路面的步行友好性，確保行人和騎行者的安全。

點(diǎn)狀圖案以盲道鋪裝為靈感。 ? Halina Steiner, Ryan Winston 

通過模擬暴雨測(cè)試進(jìn)行原型迭代設(shè)計(jì)

團(tuán)隊(duì)先將模型放置在人行道和街道旁以實(shí)地觀察實(shí)際比例，從而了解其在景觀中的尺度和視覺效果，隨后正式開始測(cè)試。

首輪測(cè)試僅對(duì)單獨(dú)改變路緣面或路肩表面設(shè)計(jì)進(jìn)行考察。在銑削全尺寸模型之前，團(tuán)隊(duì)測(cè)試了不同的銑削密度和深度以了解雕刻機(jī)的作業(yè)極限。團(tuán)隊(duì)對(duì)每種路緣或路肩改造方案分別進(jìn)行測(cè)試，以便了解其單獨(dú)運(yùn)作的情況，并尋求二者最佳的組合方案。團(tuán)隊(duì)將人工合成的雨水混合物傾倒在模型路面上，使之流經(jīng)路肩或路緣上的圖案凹槽，整個(gè)過程持續(xù)8分鐘。

研究采取三種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收集：一是通過相機(jī)和攝像機(jī)收集可視化數(shù)據(jù)；二是在模型的進(jìn)、出水口定時(shí)進(jìn)行水體采樣，以肉眼評(píng)估其清澈度；三是對(duì)隨機(jī)樣本進(jìn)行總懸浮固體物（TSS）和粒度分布分析，并將結(jié)果與測(cè)試期間進(jìn)、出水口的水濁度傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

通過小型樣本測(cè)試探索不同的銑刀鉆頭尺寸、 圖案密度和銑削深度，是了解數(shù)控雕刻機(jī)優(yōu)勢(shì)和局限性的關(guān)鍵起始步驟。 ? Halina Steiner, Ryan Winston

首輪測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在圓形、方形和三角形三種路緣面凹槽設(shè)計(jì)中，方形路緣凹槽可截留的沉積物明顯更多，將在下一輪測(cè)試中重點(diǎn)研究；路肩設(shè)計(jì)測(cè)試中采用重復(fù)利用模型的方式，首先銑削出圖案密度最低的模型，測(cè)試后再次銑削，以增加圖案的密度，最終發(fā)現(xiàn)直線形設(shè)計(jì)的截污效率最高；通過改變直線的角度及路徑形態(tài)（波浪斜線、梳齒狀、網(wǎng)格狀）等還可進(jìn)一步增加截留沉積物的表面積，進(jìn)而降低雨水流速。

不同斜線圖案沿線條走向的凹陷深度不同。? Halina Steiner, Ryan Winston

波浪式斜線圖案的轉(zhuǎn)彎處截留了更多沉積物。 ? Halina Steiner, Ryan Winston

平行于路緣的直線圖案在靠近路面的一端截留了更多沉積物。? Halina Steiner, Ryan Winston

第二輪測(cè)試的對(duì)象為單獨(dú)截污效果最佳的路緣和路肩組合設(shè)計(jì)，主要考察路肩向路緣凹槽體轉(zhuǎn)移沉積物的能力。經(jīng)過若干次迭代設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)路肩凹槽與路緣面凹槽相連時(shí)組合設(shè)計(jì)的效果更好，且以此三種組合為最佳：

（1）網(wǎng)格狀路肩和7.62cm寬的方形路緣凹槽，各組凹槽之間間隔7.62cm；

（2）線形路肩和5.08cm寬的方形路緣凹槽，凹槽每隔45cm有15.24cm的間隙；

（3）以及梳齒狀路肩和等距分布的5cm寬的方形路緣凹槽。

網(wǎng)格狀路肩與方形路緣凹槽 ? Halina Steiner, Ryan Winston 

15.24cm間隔的斜線路 肩與方形路緣凹槽 ? Halina Steiner, Ryan Winston

梳齒狀路肩與方形路緣凹槽 ? Halina Steiner, Ryan Winston 

本次研究對(duì)21種路緣和路肩設(shè)計(jì)進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行了三次重復(fù)測(cè)試。對(duì)每次測(cè)試后殘留在模型表面的泥沙進(jìn)行測(cè)定可得出每個(gè)設(shè)計(jì)的有效泥沙截留量。之后對(duì)三個(gè)截留量最大的設(shè)計(jì)再進(jìn)行1~7輪模擬暴雨測(cè)試，逐輪增加模擬雨水中的沉積物量，以確定設(shè)計(jì)的最大截留量及截留時(shí)間。

測(cè)試后模型上留下的水和沉積物。 ? Halina Steiner, Ryan Winston

研究發(fā)現(xiàn)

研究發(fā)現(xiàn)，同時(shí)改造路緣和路肩的組合設(shè)計(jì)比單獨(dú)改造路緣或路肩的設(shè)計(jì)效果更好。本研究提出的8種組合設(shè)計(jì)中有7種達(dá)到或超過了TSS降低量不得低于80%的要求，它們?cè)跍y(cè)試中的具體數(shù)據(jù)表現(xiàn)如下。

在TSS和濁度降低方面表現(xiàn)良好的組合設(shè)計(jì)。 ? Halina Steiner, Ryan Winston

3 結(jié)論

通過對(duì)21種設(shè)計(jì)原型進(jìn)行測(cè)試，“路緣沉積”研究表明，對(duì)路緣和路肩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新設(shè)定是提升路面污染物截留水平的可行選擇。這些新型設(shè)計(jì)可與綠色基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合，以減少污染物造成的堵塞，也可以單獨(dú)應(yīng)用于路面。本研究提出的設(shè)計(jì)方案占地面積小，適用范圍大，可塑性強(qiáng)，易于維護(hù)，可用于后續(xù)推廣。

盡管如此，在受控環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試也存在一定的局限性。下一階段的設(shè)計(jì)將進(jìn)行現(xiàn)場測(cè)試，進(jìn)行進(jìn)一步校準(zhǔn)和調(diào)整。這將有助于進(jìn)一步制定最佳維護(hù)方法及所需的維護(hù)頻率，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)。生態(tài)草溝的推廣案例已經(jīng)證明，場地尺度的小型干預(yù)設(shè)計(jì)即可改善區(qū)域水質(zhì)；本項(xiàng)目則從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的角度引發(fā)當(dāng)前設(shè)計(jì)實(shí)踐的思考：單個(gè)設(shè)計(jì)元素能否發(fā)揮更大的作用？原型測(cè)試是回答這個(gè)問題的第一步，而景觀設(shè)計(jì)師則可能是設(shè)計(jì)出具有多重功能且美觀的城市元素的最佳人選。

項(xiàng)目信息

測(cè)試地點(diǎn)：美國俄亥俄州哥倫比亞市俄亥俄州立大學(xué)MAT／FAB實(shí)驗(yàn)室

項(xiàng)目資助：俄亥俄州立大學(xué)工程學(xué)院暑期研究項(xiàng)目（啟動(dòng)資金來自Ryan Winston及Halina Steiner）

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：Halina Steiner、Ryan Winston、Avee Oabel、Alec Grimm

設(shè)計(jì)時(shí)間：2019年2月至今

測(cè)試設(shè)計(jì)：2019年5~8月

^{部分參考文獻(xiàn)}

^{[1] Rasmussen, T. J., & Schmidt, H. C. (2009, December). Stormwater Runoff: What it is and why it is important in Johnson County, Kansas. Retrieved from https://pubs.usgs.gov/fs/2009/3103/pdf/FS2009-3103.pdf}

^{[2] United States Environmental Protection Agency. (2016, September). Operation and Maintenance of Green Infrastructure Receiving Runoff from Roads and Parking Lots. Retrieved from https://www.epa.gov/sites/production/files/2016-11/documents/final_gi_maintenance_508.pdf}

^{參考引用 / Source:}

^{Steiner, H., Winston, R., Oabel, A., & Grimm, A. (2020). Curbing Sediment: A Prototyping Process to Explore How to Capture Road Pollutants in Stormwater Events via Curb and Apron Redesign. Landscape Architecture Frontiers, 8(4), 140-149. https://doi.org/10.15302/J-LAF-1-040018}

^{編輯 | 田曉劼}

^{翻譯 | 田曉劼 王胤瑜 李慧彥}

^{制作 | 呂童}

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